Charakterystyka właściwości geomechanicznych łupków ordowicko-sylurskich syneklizy perybałtyckiej w warunkach trójosiowego stanu naprężenia

Niniejsza praca doktorska jest efektem badań wykonywanych w ramach projektu badawczego (grant NCBiR BG2/ShaleMech/14) o akronimie Shalemech pt. „Zintegrowane badania geomechaniczne w celu wzmożenia wydobycia gazu z łupkowych formacji Pomorza”. Projekt ten realizowany był w latach 2014‒2017 przez konsorcjum, którego skład realizacyjny składał się z: Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa, Państwowego Instytutu Geologicznego - PIB, Uniwersytetu Warszawskiego (Wydziału Geologii), Polskiej Akademii Nauk (Instytutu Geofizyki), a także współwykonawców: Instytutu Nafty i Gazu oraz Uniwersytetu Wrocławskiego (Instytutu Nauk Geologicznych i Instytutu Fizyki Teoretycznej). Głównym celem projektu było jak najszersze rozpoznanie właściwości geomechanicznych łupków na potrzeby wspomagania poszukiwań i eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu. Jako jeden z członków zespołu badawczego odpowiadałem za wykonanie, interpretację oraz analizę wyników testów wytrzymałościowych w warunkach trójosiowego stanu naprężenia, przede wszystkim testów pełzania. Wykonywano je w latach 2016‒2017 w Laboratorium Zakładu Geomechaniki na Wydziale Geologii Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie jestem doktorantem w ramach studiów trzeciego stopnia. Poszukiwanie i eksploatacja węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych w XXI wieku spo¬wodowały znaczny wzrost zainteresowania geomechanicznymi badaniami właściwości górotworu sprawiając, że są one bardziej skutecznie wykorzystywane przy projektowaniu operacji wiertniczych udostępniania złoża i procesu jego eksploatacji. Uzyskane z badań geomechanicznych wyniki umożliwiają m.in. określenie parametrów niezbędnych do wyznaczenia optymalnej orientacji pionowego i poziomego odcinka otworu, zaplanowanie procesu szczelinowania hydraulicznego czy też obliczeń stateczności ścian otworów wiertniczych. Wszystkie te elementy pozwalają na lepszą ocenę efektywności udostępnienia złoża i wpływają na bardziej opłacalną ekonomicznie eksploatację gazu ziemnego zgromadzonego w kompleksach łupkowych. Skałami najbardziej perspektywicznymi pod względem występowania niekonwencjonalnych złóż gazu ziemnego (shale gas) w Polsce są formacje mułowcowo-iłowcowe, których sedymentacja odbywała się we wczesnopaleozoicznym Basenie Bałtyckim. Łupki paleozoiczne stały się zatem przedmiotem badań projektu ShaleMech. Skały te reprezentują jednostkę litostratygraficzną ordowiku górnego (formacja iłowców z Sasina) oraz syluru dolnego (ogniwo iłowców bitumicznych z Jantaru, formacja iłowców z Pasłęka, formacja iłowców z Pelplina). Na Pomorzu formacje perspektywiczne zalegają na głębokości około 3600–4000 m p.p.t. W ramach badań geomechanicznych projektu ShaleMech pozyskano od Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa odcinki rdzeni wiertnicznych z trzech otworów zlokalizowanych w północnej Polsce, z których przygotowano próbki do badań laboratoryjnych. Powierzonym mi zadaniem było wykonanie laboratoryjnych badań wytrzymałościowo-odkształceniowe w warunkach trójosiowego stanu naprężenia, dostosowanego poprzez odpowiedni dobór ciśnienia okólnego i temperatury, do warunków panujących w górotworze na dużych głębokościach złożowych. Kompleksowa analiza wyników tych badań i ich interpretacja na tle zaprogramowanego cyklu badawczego oraz nieco zróżnicowanej litologii materiału skalnego jest celem niniejszej pracy. Przeprowadziłem zatem analizę właściwości mechanicznych i reologicznych skał łupkowych, szczególnie ukierunkowując ją na ocenę zmienności procesu pełzania przy różnych poziomach naprężenia różnicowego. Wyniki badań pozwoliły mi ustalić model reologiczny badanych skał oraz wyznaczyć granicę liniowości procesu pełzania. Znajomość chwilowych i długotrwałych właściwości reologicznych w warunkach trójosiowego naprężenia jest bowiem istotna dla właściwego doboru stosowanych technik eksploatacyjnych i samego procesu szczelinowania hydraulicznego. W nawiązaniu do powyższego w przeprowadzonych analizach rozdzieliłem efekty pełzania związane ze zmianami postaciowymi oraz objętościowymi. Pozwoliło to określić udział zmian objętościowych w procesie pełzania łupków oraz umożliwiło dokonanie analizy modelu ich zachowania w złożonym stanie naprężenia. Do opisu pełzania badanych łupków gazonośnych z Basenu Bałtyckiego z kilku analizowanych modeli ostatecznie wybrałem model Burgersa i zidentyfikowałem jego parametry. Na podstawie wykonanych badań stwierdziłem także, że istnieją znaczne różnice w zachowaniu się łupków w zależności od jednostki litostratygraficznej, ponieważ skład mineralny tych skał ma wpływ na ich właściwości geomechaniczne. Przeprowadzone badania przy różnych poziomach obciążenia (od ok. 25% do ok. 85% (s1‒s3)max) w odniesieniu do trójosiowej wytrzymałości łupków pozwoliły na parametryzację procesu pełzania. W zależności od poziomu obciążenia, przy jego niskich wartościach, do 0,7 (s1‒s3)max, pełzanie wykazywało charakter wtórny (ustalony) bez cech pełzania trzeciego stopnia (progresywnego). W zakresie etapu wtórnego analizowałem również granicę liniowości procesu pełzania, która występuje przy poziomie obciążenia wynoszącym 0,7 (s1‒s3)max. Przekroczenie tego poziomu obciążenia wiąże się z utratą liniowości procesu pełzania, co w konsekwencji prowadzi do trzeciej, progresywnej fazy pełzania zakończonej zniszczeniem. Łupki paleozoiczne charakteryzują się anizotropią matrycy skalnej typu VTI (Vertical Transverse Isotropy), która wyraźnie wpływa na anizotropię właściwości geomechanicznych, co jest istotną cechą tego materiału skalnego. Anizotropia była również przedmiotem badań w odrębnych testach wytrzymałości na trójosiowe ściskanie próbek zorientowanych równolegle i prostopadle do laminacji. W szczególności analizowałem wpływ anizotropii na parametry sprężystości, istotne w procesie projektowania wydobycia. Występowanie anizotropii w badanych skałach potwierdzają współczynniki anizotropii wyznaczone w oparciu o wartości statycznego modułu Younga (E), współczynnika Poissona (v) i maksymalnego naprężenia różnicowego (s1‒s3)max. W testach próbek cylindrycznych, których oś podłużna, zgodna z kierunkiem ściskania, była zorientowana równoległe do laminacji (próbki poziome) uzyskano około dwukrotnie wyższe wartości statycznego modułu Younga (E) niż w próbkach o osi zorientowanej prostopadle do laminacji (próbki pionowe). Podobne tendencje zaobserwowałem w wartościach współczynnika Poissona (v) oraz w wynikach maksymalnego naprężenia różnicowego ((s1‒s3)max). W testach próbek zorientowanych równolegle do laminacji (poziomych) uzyskałem natomiast dużo mniejsze wartości odkształceń osiowych niż w próbkach prostopadłych do laminacji (pionowych), co skorelowane jest z większymi wartościami współczynnika Poissona i maksymalnego naprężenia różnicowego.

This doctoral thesis is the result of investigations performed in the frame of the ShaleMech research project (NCBiR grant BG2/ShaleMech/14) entitled "Integrated geomechanical research to enhance gas extraction from shale formations in Pomerania". The project was conducted out between 2014‒2017 by a consortium including: the Polish Oil and Gas Company, the Polish Geological Institute - NRI, the University of Warsaw (Faculty of Geology), and the Polish Academy of Sciences (Institute of Geophysics), together with the co-investigating parties: the Oil and Gas Institute and the University of Wrocław (Institute of Geological Sciences and Institute of Theoretical Physics). The main goal of the project was an extensive recognition of the geomechanical properties of shales to aid in the exploration and exploitation of unconventional gas deposits. As one of the members of the research team, I was responsible for conducting, interpreting, and analysing the results of strength tests under triaxial stress conditions, primarily creep tests. These were carried out in 2016‒2017 in the Laboratory of the Department of Geomechanics at the Faculty of Geology, University of Warsaw, where I am a Ph.D. candidate. The search and exploitation of hydrocarbons from unconventional deposits in the 21st century have caused a significant increase in interest in the geomechanical studies of rock mass properties, making them more effectively used in designing drilling operations for deposit access and the exploitation process. The results obtained from geomechanical research enable, among other things, to define parameters necessary for determining the optimal orientation of vertical and horizontal well sections, planning the process of hydraulic fracturing, or calculations of borehole wall stability. All these elements allow for a better assessment of the effectiveness of deposit access and contribute to the economically more viable exploitation of natural gas accumulated in shale complexes. The most prospective rocks for the occurrence of unconventional natural gas (shale gas) deposits in Poland are mudstone and claystone formations, whose deposition took place in the Early Palaeozoic Baltic Basin. Thus, Palaeozoic shales were the main focus of the ShaleMech project. These rocks represent a lithostratigraphic unit spanning the Upper Ordovician (Sasino Mudstone Formation) and Lower Silurian (Jantar Bituminous Mudstone Member, Pasłęk Mudstone Formation, Pelplin Mudstone Formation). In Pomerania, prospective formations occur at a depth of about 3600–4000 m below the surface. Within the geomechanical studies of the ShaleMech project, core sections from three wells located in northern Poland were obtained from the Polish Oil and Gas Company, from which samples were prepared for laboratory tests. My task was to perform laboratory strength and deformation tests under triaxial stress conditions, adjusted by selecting the appropriate confining pressure and temperature to conditions prevailing in the rock mass at large depths. A comprehensive analysis of these test results and their interpretation against the research schedule and the slightly varying lithology of the rock material is the objective of this thesis. Therefore, I have analysed the mechanical and rheological properties of the shales, particularly focusing on assessing the variability of the creep process at different levels of differential stress. The research results allowed me to establish a rheological model of the studied rocks and to determine the linearity limit of the creep process. Knowledge of immediate and long-term rheological properties under triaxial stress conditions is essential for the proper selection of exploitation techniques and the hydraulic fracturing process itself. With regard to the above, I separated the effects of creep related to shape and volume changes in the analyses. This allowed to determine the contribution of volumetric changes to the creep process of shales and enabled the analysis of their behaviour model under complex stress conditions. From several analysed models used to describe creep of the studied gas-bearing shales from the Baltic Basin, I ultimately chose Burgers model and identified its parameters. Based on the conducted research, I also discovered that there are significant differences in the behaviour of shales depending on the lithostratigraphic unit, as the mineral composition of these rocks affects their geomechanical properties. The research conducted at various levels of loading (from about 25% to about 85% (s1‒s3)max in relation to the triaxial strength of shales allowed for the parameterization of the creep process. Depending on the level of loading, at its low values, up to 0.7 (s1‒s3)max, creep showed a secondary (steady) nature without features of third-degree (progressive) creep. In the secondary stage, I also analysed the linearity limit of the creep process, which occurs at a loading level of 0.7 (s1‒s3)max. Exceeding this loading level is associated with the loss of linearity of the creep process, which consequently leads to the third, progressive phase of creep, ultimately ending in destruction. Palaeozoic shales are characterized by a Vertical Transverse Isotropy (VTI) type matrix anisotropy, which significantly affects the anisotropy of geomechanical properties, an important feature of this rock material. Anisotropy was also the subject of research in separate tests of strength under triaxial compression of samples oriented parallel and perpendicular to lamination. In particular, I analysed the effect of anisotropy on elasticity parameters, significant in the extraction design process. The presence of anisotropy in the studied rocks is confirmed by anisotropy coefficients determined based on the values of the static Young's modulus (E), Poisson's ratio (ν), and the maximum differential stress ((s1‒s3)max). In tests of cylindrical samples, whose longitudinal axis consistent with the compression direction was oriented parallel to lamination (horizontal samples), approximately twice higher values of the static Young's modulus (E) were obtained compared to samples with the axis oriented perpendicular to lamination (vertical samples). Similar trends were observed in the values of Poisson's ratio (ν) and maximum differential stress ((s1‒s3)max). In tests of samples oriented parallel to lamination (horizontal), however, much lower axial deformation values were obtained compared to samples perpendicular to lamination (vertical), which correlates with the higher values of Poisson's ratio and maximum differential stress.